Alla bilar skulle få 42 volt. Det blev inte riktigt så.

För drygt 20 år sedan såg bilindustrin ut att stå inför en ganska dramatisk förändring. Det gamla 12-voltsystemet som hade följt personbilen under årtionden började få problem med att hantera den snabbt ökande mängden elektrisk utrustning. Elektriska fönsterhissar, sätesvärme, avancerade ljudsystem, elektriska pumpar, fläktar och allt fler styrdon började ta plats i bilen. Samtidigt diskuterades ännu större förändringar, där mekaniska och hydrauliska funktioner skulle ersättas av elektriska lösningar. Lösningen verkade därför ganska självklar: om bilen behöver mer elektricitet borde man helt enkelt höja spänningen.

Under slutet av 1990-talet arbetade därför bilindustrin på allvar med en ny elektrisk standard på 42 volt. Det fanns tekniska studier, prototyper och fordon som använde tekniken, och mycket pekade på att 42 volt skulle bli nästa stora steg i bilens utveckling. Högre spänning skulle göra det möjligt att överföra samma effekt med betydligt lägre ström, vilket i sin tur skulle kunna ge lättare kablage, mindre energiförluster och möjlighet att driva ännu fler elektriska funktioner. Det såg helt enkelt ut som att 12 volt var på väg ut.

Men det blev inte så. Tittar man på en vanlig bil idag är 12 volt fortfarande högst närvarande. Samtidigt har något annat märkligt hänt: 24 volt har fortsatt att vara viktigt i tunga fordon, 48 volt har börjat dyka upp i moderna personbilar och elbilar använder flera hundra volt. Historien om bilens elsystem är därför betydligt mer intressant än den först verkar.

Varför har bilen 12 volt?

Att personbilar använder 12 volt beror egentligen inte på att 12 volt är den perfekta spänningen för ett fordon. Det är resultatet av en lång teknisk utveckling. Tidiga bilar hade betydligt enklare elsystem och 6 volt var länge vanligt. När elektriska startmotorer och allt mer elektrisk utrustning började användas ökade behovet av elektrisk effekt, och 12 volt blev så småningom den etablerade standarden för personbilar.

När en standard väl har blivit etablerad är den svår att ersätta. Under årtionden byggdes ett enormt ekosystem upp kring 12 volt: batterier, generatorer, startmotorer, lampor, reläer, säkringar, kontakter, styrdon, verktyg och reservdelar. Tillverkare lärde sig att producera komponenterna billigt och tillförlitligt och verkstäder över hela världen byggde sin kunskap kring systemet. Det gjorde 12 volt till mycket mer än bara en spänning. Det blev en gemensam teknisk plattform för hela fordonsindustrin.

Problemet var att bilens elektriska behov fortsatte att växa. En viktig egenskap hos elektricitet är att samma effekt kräver mindre ström om spänningen höjs. Sambandet är enkelt: effekt = spänning × ström. En förbrukare på 240 watt kräver ungefär 20 ampere vid 12 volt, men bara 10 ampere vid 24 volt och 5 ampere vid 48 volt. När man börjar prata om elektriska system som kräver tusentals watt blir skillnaden snabbt mycket stor.

Det är också därför högre spänning kan ge betydligt mer än bara tunnare kablar. Förlusterna i en kabel beror bland annat på strömmen i kvadrat, enligt sambandet P = I² × R. Om strömmen halveras minskar alltså den resistiva effektförlusten till ungefär en fjärdedel, förutsatt att kabelns resistans är densamma. Det är en av de viktigaste anledningarna till att högre systemspänning blir attraktiv när den elektriska belastningen ökar.

Därför använder många lastbilar 24 volt

Det här är också anledningen till att 24 volt sedan länge är vanligt i lastbilar och andra tunga fordon. Ett tungt fordon kan ha betydligt större elektriska belastningar än en vanlig personbil, samtidigt som kabeldragningarna kan vara långa. Startmotorer, belysning, värmare, fläktar och andra elektriska system kan tillsammans kräva stora mängder effekt. Om allt skulle drivas med 12 volt skulle strömmarna bli mycket höga och det skulle ställa större krav på kablar, kontakter, säkringar och andra komponenter.

Med 24 volt kan samma effekt överföras med hälften så hög ström jämfört med 12 volt. Det betyder inte att man automatiskt kan välja vilken tunn kabel som helst bara för att systemet är 24 volt, eftersom kabelns längd, temperatur, installation och tillåtna spänningsfall fortfarande måste tas med i beräkningen. Men förutsättningarna blir betydligt bättre när stora mängder elektrisk effekt ska transporteras.

24 volt är därför egentligen ett ganska elegant exempel på varför högre systemspänning är användbart. Man behöver inte göra komponenterna dubbelt så kraftiga bara för att fordonet blivit större. Genom att höja spänningen kan man hålla nere strömmen och därmed också dimensionerna på delar av elsystemet. Det är en lösning som visat sig fungera så bra att 24 volt fortfarande är mycket vanligt inom tunga fordon.

Men personbilsindustrin hade betydligt större planer än så.

När bilindustrin ville ersätta 12 volt

Under 1990-talet förändrades bilen snabbt. Elektronik blev billigare och mindre, och funktioner som tidigare hade krävt mekaniska eller hydrauliska lösningar började kunna ersättas med elektriska. Elektrisk servostyrning var ett exempel på en sådan utveckling, liksom elektriska pumpar, fläktar och andra hjälpsystem. Samtidigt ökade mängden elektronik i bilen kraftigt. Det handlade inte längre bara om att starta motorn och tända lamporna. Bilen började utvecklas till ett nätverk av elektroniska styrenheter som hela tiden kommunicerade med varandra.

Problemet var att allt detta behövde energi. Om samma 12-voltsystem skulle fortsätta försörja alla dessa funktioner skulle strömmarna bli allt större. Ett system som behövde 1 200 watt skulle exempelvis kräva omkring 100 ampere vid 12 volt. Det är inte omöjligt, men när många sådana laster ska samsas i samma fordon blir kabelhärvorna snabbt både tunga och dyra. Förlusterna i kablarna ökar dessutom kraftigt med strömmen.

Därför började bilindustrin undersöka en helt ny systemspänning. Runt millennieskiftet var 42 volt ett seriöst alternativ och SAE publicerade bland annat tekniska studier om övergången från dåvarande 14-voltsystem till 42 volt och hur det skulle påverka bilens elektriska arkitektur. Tanken var inte bara att få lite effektivare kablar. Ett nytt elsystem skulle ge utrymme för en helt annan nivå av elektrifiering och göra det lättare att införa nya funktioner som tidigare varit svåra att driva elektriskt.

42 volt låter idag nästan som en bortglömd teknisk parentes, men då var det långt ifrån självklart att det skulle bli så. Det fanns till och med verkliga fordon och utvecklingsprojekt som använde tekniken. Toyota utvecklade exempelvis ett mildhybridsystem baserat på ett 42-voltsystem, där en motor/generator kunde hjälpa till att starta motorn, återvinna energi vid inbromsning och bidra med elektrisk effekt. Det var alltså inte bara en idé som fanns i någon framtidsstudie. Industrin hade faktiskt börjat bygga system kring den.

Varför just 42 volt?

Det kan verka märkligt att man valde just 42 volt när 24 volt redan fanns och 48 volt senare skulle bli aktuellt. Förklaringen ligger bland annat i hur man definierar fordonets nominella systemspänning och vilken spänning systemet faktiskt arbetar med under laddning. Ett traditionellt 12-voltsystem ligger exempelvis på en högre spänning när generatorn laddar batteriet. På motsvarande sätt var 42 volt tänkt som den nominella nivån för ett system med ungefär tre gånger högre spänning än det traditionella systemet.

Fördelarna var uppenbara på papperet. Om en förbrukare kräver 1 200 watt behöver den ungefär 100 ampere vid 12 volt, men bara omkring 29 ampere vid 42 volt. Det är en dramatisk minskning. Plötsligt kunde samma elektriska effekt transporteras genom betydligt mindre strömmar, vilket gjorde det möjligt att minska kabeldimensioner och förluster samtidigt som man fick större möjligheter att elektrifiera kraftkrävande funktioner.

Det var också en viktig del av visionen om framtidens bil. Om servostyrning, pumpar, fläktar och andra funktioner kunde göras elektriska kunde de styras mer exakt och bara använda energi när de behövdes. En mekanisk pump som är direkt kopplad till motorn arbetar exempelvis beroende på motorns varvtal, medan en elektrisk pump kan styras efter det faktiska behovet. På samma sätt kunde elektriska motorer och styrsystem ersätta flera mekaniska lösningar.

42 volt handlade därför egentligen om något större än själva spänningen. Det var en möjlig grund för en bil som skulle bli betydligt mer elektrisk.

Varför försvann då 42 volt?

Det är här den intressanta delen av historien börjar. Tekniskt sett var grundidén helt rimlig, men att byta hela bilindustrins elektriska standard visade sig vara betydligt svårare än att konstatera att högre spänning är effektivare.

12 volt var redan överallt. Batterier, generatorer, reläer, säkringar, lampor, kontakter och styrdon var utvecklade för systemet och producerades i enorma volymer. Om hela industrin skulle gå över till 42 volt behövde en mycket stor mängd komponenter utvecklas på nytt eller anpassas. Även verkstäder, reservdelssystem, diagnostikutrustning och tillverkningsprocesser skulle påverkas.

Högre spänning skapade dessutom nya tekniska problem. Ett mekaniskt relä som bryter likström kan skapa en elektrisk ljusbåge mellan kontakterna när de öppnas. När spänningen ökar blir det svårare att hantera denna ljusbåge på ett säkert och tillförlitligt sätt. Reläer och andra brytande komponenter måste därför konstrueras för den högre spänningen. Det är ett bra exempel på hur en förändring som ser enkel ut på systemnivå kan få konsekvenser långt ner i komponentnivå.

Samtidigt fortsatte 12-voltsystemet att fungera. Det var inte så att personbilens elsystem plötsligt blev oanvändbart. Det blev bara allt mer belastat av nya funktioner. För att motivera ett komplett systembyte behövde därför fördelarna med 42 volt vara tillräckligt stora för att väga upp kostnaderna och komplikationerna. När industrin började hitta andra sätt att hantera den ökande elektriska belastningen försvann en del av motivationen att göra det stora språnget.

42 volt försvann därför gradvis som den stora framtidsstandard som många hade räknat med. Men det intressanta är att problemet som 42 volt skulle lösa aldrig försvann.

Bilarna fortsatte att bli mer elektriska.

48 volt gör det som 42 volt aldrig hann göra

I dag har vi därför hamnat i en situation som på många sätt påminner om den som diskuterades för 20–25 år sedan. Bilarna behöver mer elektrisk effekt än tidigare, men lösningen blev inte att helt enkelt ersätta 12 volt med 42 volt.

I stället har 48 volt börjat användas i moderna fordon, framför allt i mildhybrider. Grundidén är densamma: högre spänning gör det möjligt att hantera större effekter med lägre ström. En förbrukare på 1 200 watt behöver omkring 100 ampere vid 12 volt, 50 ampere vid 24 volt och bara 25 ampere vid 48 volt.

Den stora skillnaden är att 48 volt inte behöver ersätta 12 volt. Många moderna fordon använder båda systemen samtidigt. 12 volt kan fortsätta driva stora delar av den elektronik och de funktioner som redan bygger på den etablerade standarden, medan 48 volt används där den högre effekten verkligen behövs. En DC/DC-omvandlare kan sedan flytta elektrisk energi mellan systemen.

Det här är en betydligt mer praktisk väg framåt än att försöka byta ut hela bilens elektriska infrastruktur på en gång. Bilindustrin behöver inte välja mellan ”gammal” och ”ny” teknik. Man kan behålla det som fungerar och använda högre spänning där den ger störst nytta.

48 volt har dessutom blivit särskilt intressant i samband med mildhybridteknik. Ett 48-voltsystem kan hantera en betydligt kraftigare motor/generator än vad som är praktiskt med ett traditionellt 12-voltsystem. Motorn/generatorn kan hjälpa förbränningsmotorn vid acceleration, återvinna energi vid inbromsning och snabbt starta motorn igen efter ett stopp. På så sätt blir 48-voltsystemet inte bara ett sätt att driva lampor och tillbehör, utan en del av bilens energisystem.

Varför inte bara gå direkt till flera hundra volt?

Om högre spänning är bättre för hög effekt kan man förstås fråga varför man inte bara går direkt till 400 volt. Och det är faktiskt precis vad som har hänt på ett annat område. Elbilar och fullhybrider använder högspänningssystem på flera hundra volt för att driva sina elmotorer, eftersom drivmotorerna kräver mycket stora mängder effekt.

Men högre spänning innebär också större krav på isolering, komponenter, säkerhet och service. Ett 48-voltsystem hamnar därför i ett intressant mellanläge. Det ger stora delar av fördelarna med högre spänning utan att hela bilen behöver behandlas som ett högspänningssystem.

Det är också därför framtidens fordon sannolikt inte kommer att ha en enda spänning som driver allt. En och samma bil kan ha ett 12-voltsystem för traditionell elektronik, ett 48-voltsystem för kraftigare elektriska funktioner och ett högspänningssystem på flera hundra volt om bilen är en hybrid eller elbil. Det kan låta komplicerat, men ur ett tekniskt perspektiv är det egentligen ganska logiskt. Varje spänningsnivå används där den passar bäst.

Vad betyder utvecklingen för kablar och elektriska installationer?

Skillnaden mellan spänningsnivåerna blir kanske tydligast när man tittar på kablarna. Föreställ dig att ett fordon behöver transportera 5 000 watt elektrisk effekt. Vid 12 volt motsvarar det ungefär 417 ampere. Vid 24 volt är motsvarande ström omkring 208 ampere och vid 48 volt ungefär 104 ampere. Det är fortfarande mycket ström, men skillnaden är enorm jämfört med 12 volt.

Det påverkar inte bara kabelns dimension. När strömmen blir hög ökar även kraven på kontakter, säkringar, reläer och andra komponenter i kretsen. Ett dåligt kontaktställe kan exempelvis skapa ett spänningsfall och utveckla värme när stora strömmar passerar. Därför blir rätt dimensionering och bra anslutningar allt viktigare när elektriska belastningar ökar.

Det är också här många av de grundläggande sakerna i ett fordons elsystem fortfarande spelar stor roll, oavsett om systemet är 12, 24 eller 48 volt. Säkringen måste skydda kretsen, kabeln måste vara dimensionerad för belastningen och kabelns längd måste tas med när man bedömer spänningsfall. Högre systemspänning gör mycket enklare, men den gör inte grundläggande ellära irrelevant.

För den som installerar extra elektrisk utrustning i ett fordon är detta särskilt intressant. En LED-ramp, arbetsbelysning, fläkt eller annan förbrukare kan verka enkel att koppla in, men hela kretsen måste fungera tillsammans. Matning, säkring, kabel, relä, anslutningar och jordning måste alla vara dimensionerade för den aktuella belastningen. På moderna fordon kan dessutom bilens elektroniska övervakning och CANbus påverka hur en eftermonterad elektrisk komponent fungerar.

Så vad kommer att hända med 12 volt?

Det är svårt att säga exakt hur snabbt utvecklingen kommer att gå, men det finns ingen tydlig anledning att tro att 12 volt plötsligt kommer att försvinna ur alla bilar. Det är fortfarande en mycket användbar och väl etablerad spänningsnivå för mindre elektriska laster, och det finns enorma mängder befintlig teknik som bygger på den.

Det mer sannolika är att fordon fortsätter att använda flera spänningsnivåer parallellt. 12 volt kan fortsätta hantera mindre och redan etablerade elektriska funktioner, medan 48 volt tar hand om kraftigare laster. I elbilar och fullhybrider kommer högspänningssystem på flera hundra volt att hantera drivningen, samtidigt som lägre spänningssystem fortfarande behövs för resten av fordonets elektronik.

Det är egentligen samma utveckling som började med 42-voltsprojektet, fast i en mer försiktig och praktisk form. Bilindustrin insåg att högre spänning behövs när den elektriska effekten ökar, men också att det är dyrt och komplicerat att kasta bort ett fungerande system över en natt.

Det kanske mest fascinerande med historien är därför inte att 42 volt misslyckades, utan att bilindustrin faktiskt hade rätt om vart utvecklingen var på väg – bara inte om siffran. Bilarna blev mycket mer elektriska, precis som man förutsåg runt millennieskiftet. Mekaniska och hydrauliska lösningar har ersatts av elektriska motorer och pumpar, mängden styrdon och elektronik har ökat explosionsartat och dagens fordon kräver betydligt mer elektrisk effekt än de gjorde för några decennier sedan. Skillnaden är att 12-voltsystemet visade sig vara mycket mer svårersättligt än man först trodde. I stället för att kasta ut det har tillverkarna byggt vidare runt det och kompletterat med 24, 48 och i elbilar flera hundra volt. På så sätt lever det gamla 12-voltsystemet fortfarande kvar, samtidigt som bilen omkring det har förändrats nästan fullständigt.